Ứng dụng hệ dẫn đường quán tính trong xác thực mô hình động lực học xe đạp

Bài báo này trình bày việc thiết kế và xây dựng một hệ dẫn đường quán tính (INS), và ứng dụng trong việc xác thực một mô hình động lực học phi tuyến đầy đủ của xe đạp. Cảm biến INS được gắn trên khung để đo góc nghiêng của xe đạp khi chuyển động tự do cung cấp dữ liệu để xác định các điểm cực đặc trưng cho các chế độ dao động của xe ở từng vận tốc. Mời các bạn tham khảo!
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Ứng dụng hệ dẫn đường quán tính trong xác thực mô hình động lực học xe đạpĐiều khiển – Cơ điện tử - Truyền thông ỨNG DỤNG HỆ DẪN ĐƯỜNG QUÁN TÍNH TRONG XÁC THỰC MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC XE ĐẠPTriệu Việt Phương1,2, Nguyễn Thị Lan Hương2,3, Đào Trung Kiên3*, Hoàng Ngọc Đế3 Tóm tắt: Bài báo này trình bày việc thiết kế và xây dựng một hệ dẫn đường quán tính (INS), và ứng dụng trong việc xác thực một mô hình động lực học phi tuyến đầy đủ của xe đạp. Cảm biến INS được gắn trên khung để đo góc nghiêng của xe đạp khi chuyển động tự do cung cấp dữ liệu để xác định các điểm cực đặc trưng cho các chế độ dao động của xe ở từng vận tốc. Giá trị các điểm cực này được so sánh với kết quả thu được từ mô phỏng cho thấy kết quả là tương đồng, qua đó khẳng định tính đúng đắn của mô hình xe được xây dựng.Từ khoá: Hệ dẫn đường quán tính, Xác thực mô hình, Động lực học, Xe đạp. 1. GIỚI THIỆU Xe đạp đã được sử dụng từ thế kỷ XIX và ngày nay xuất hiện ở mọi nơi. Mặc dù việcsử dụng và lái xe là tương đối đơn giản, nhưng các tính chất động lực học lại là một vấn đềthách thức và là một đối tượng nghiên cứu hấp dẫn đối với nhiều nhà khoa học trong cáclĩnh vực vật lý, điều khiển. Ví dụ, xe đạp không ổn định ở trạng thái tĩnh, tương tự nhưmột con lắc ngược, nhưng lại trở nên ổn định khi chuyển động ở vận tốc nhất định. Xe đạpcũng có hiện tượng lái với pha không tối thiểu (non-minimum phase steering) [1], là khi tađánh lái sang phải, thì xe chuyển động sang trái một lượng nhất định trước khi chuyểnđộng sang phải. Nhiều mô hình động lực học của xe đạp đã được đề xuất với những đặc điểm và tính chấtkhác nhau, tuy nhiên không có nhiều mô hình được công bố ở dạng phương trình vi phâncho phép mô tả đầy đủ các tính chất động lực học phức tạp của xe. Trong những công bốtrước [2][3], chúng tôi đã xây dựng một mô hình động lực học của xe đạp dạng phi tuyếntổng quát với 9 bậc tự do, cho phép biểu diễn đầy đủ trạng thái các khâu của xe gồm khung,ghi-đông, hai bánh, cùng với các điều kiện tiếp xúc của các bánh xe với mặt đất. Trong bài báo này, chúng tôi trình bày một cách xác thực mô hình đó bằng cách sosánh các chế độ dao động xác định từ mô hình với kết quả thực nghiệm. Để xác định đượccác đặc trưng dao động của xe từ thực nghiệm, một bộ dẫn hướng quán tính được xâydựng cho phép đo các góc nghiêng của xe trong quá trình chuyển động. Với dữ liệu thuđược, và bằng phương pháp hồi quy, ta có thể xác định được các đặc trưng dao động. 2. HỆ DẪN ĐƯỜNG QUÁN TÍNH Hệ dẫn đường quán tính (inertial navigation system – INS) xác định vị trí vật thể dựatrên chính thông tin chuyển động nội tại của vật thể, đó là hướng và gia tốc chuyển động.Nếu biết vận tốc và vị trí ban đầu, từ gia tốc chuyển động của vật thể, lấy tích phân theothời gian sẽ xác định được vận tốc chuyển động, từ vận tốc chuyển động, lấy tích phântheo thời gian, sẽ xác định được vị trí của vật thể [4]. Phần cứng của một hệ INS bao gồmkhối đo lường quán tính (inertial measurement unit - IMU) và thiết bị tính toán. IMU baogồm cảm biến gia tốc 3 chiều (3-axis accelerometer), và cảm biến vận tốc góc 3 chiều (3-axis gyroscope). Nguyên lý xác định hướng, vận tốc, vị trí vật thể của hệ INS kiểuStrapdown trong hệ quy chiếu Trái Đất (e-frame) được thực hiện theo sơ đồ Hình 1. Hệ INS có ưu điểm là cung cấp thông tin hướng, vận tốc, vị trí vật thể một cách liên tụcvà tức thời, có khả năng hoạt động độc lập trong mọi điều kiện khí hậu, thời tiết, địa hình.196 T.V. Phương, N.T.L. Hương, Đ.T. Kiên, H.N. Đế, “Ứng dụng hệ dẫn đường… xe đạp.”Nghiên cứu khoa học công nghệTuy nhiên do sử dụng phép tính tích phân nên hệ INS có thể sinh ra sai số tích lũy theothời gian. Hướng ban đầu Hướng Cảm biến vận tốc  Vận tốc ban đầu Vị trí ban đầu Gia tốc chuyển động Vị trí Cảm biến gia tốc Chuyển hệ quy chiếu Bù gia tốc trọng trường   Vận tốc IMU INS Hình 1. Minh họa nguyên lý xác định hướng, vận tốc, vị trí vật thể của hệ INS ...